※ Scientific American에 Christof Koch가 기고한 「How to Make a Consciousness Meter」를 번역한 글입니다.
나는 죽음을 수도 없이 겪었습니다. 매일 밤 지친 몸을 누일 때마다 나의 의식은 사라집니다. 다음날 깨어나기 전까지 나는 아무것도 느낄 수 없습니다. 꿈은 실제 세상과는 무관한 것일 뿐입니다. 사라진 의식은 아침이 되어서야 다시 돌아옵니다.
의식이 사라지는 경험은 일상에서 자주 일어납니다. 어렸을 때 나는 맹장수술을 받았고 전신마취를 해야 했습니다. 의식은 곧 사라졌고 수술이 끝난 후에야 나는 깨어났습니다. 10대 시절 북아프리카 어딘가에서 르노 뒷자리에 앉아 있던 나는 충격과 함께 정신을 잃었고 깨어났을 때는 길바닥에 누워 있었습니다. 자동차가 나무를 받아 내가 차 밖으로 튕겨져 나갔던 것입니다.
많은 이가 이런 경험을 해보았을 것입니다. 우리는 하루에 한 번씩 의식을 잃는 일에 익숙합니다. 잠을 자니까요. 하지만 뇌 사고를 당한 이들은 며칠에서 몇 주, 심지어 몇 년을 의식을 잃고 지냅니다. 병원에서 의사들은 어떤 이가 자고 있는지 마취된 것인지 아니면 심각한 뇌 부상 때문인지를 판단해야 하며 이는 쉬운 일이 아닙니다. 눈을 뜬 침상의 저 사람이 과연 무언가를 지금 경험 중일까요? 아니면 이미 그 마음의 주인이 사라진 상태일까요?
이상적으로는 이런 의식의 상태를 판단해줄 수 있는 기술이 존재해야겠지요. 물론 혈압처럼 의식을 쉽게 측정한다는 것이 이상하게 들리기도 합니다. 하지만 최근의 뇌 측정 기술은 특정 환자가 의식이 있는지 보여줄 준비가 된 것처럼 보입니다. 이 기술을 통해 의사와 가족들은 오늘날 수만 명의 의식불명 환자가 여전히 뇌 속에 의식이 있는지 판단할 수 있을 것입니다.
뇌파 기록
의식을 측정한다는 말은 우리가 일상에서 몇 분의 1초 정도로 짧은 시간 동안 떠올리는 수많은 생각의 변화와 관련된 뇌 신경 활동을 그 정도의 시간 주기로 측정할 수 있어야 함을 의미합니다. 이것이 가능한 가장 확실한 기술은 뇌파(EEG)입니다.
EEG는 일생을 뇌 활동과 주관적 경험의 관계를 파악하기 위해 노력했던 독일의 정신과 의사 한스 버거에 의해 개발되었습니다. 1924년 그는 최초로 환자의 EEG를 측정하지만 그 결과를 자신도 믿지 못했기에 1929년에야 이를 발표합니다. EEG 측정은 곧 임상 신경생리학의 가장 기본적인 도구가 되었습니다. 하지만 버거 자신은 수차례 노벨상 후보에 올랐음에도 나치 독일에서 어떠한 인정도 받지 못하고 1941년 목을 매고 맙니다.
물론 EEG 외에도 뇌의 활동을 측정하는 다양한 기술이 있습니다. 자기장을 이용해 뇌내 혈류를 탐지하거나 뇌에 의한 자기장을 추적하는 일반적인 도구로 자기뇌파검사(MEG)가 있습니다. 하지만 MEG나 더 최근의 근적외분광법(NIRS)은 임상에서 널리 쓰이기 위해서는 아직 더 시간이 필요한 기술들입니다.
EEG는 인간의 인식, 행동, 기억, 사고 등을 관장하는 뇌 외측의 신피질(neocortex)에서 일어나는 전기적 활동을 미세한 수준(10~100 uV)에서 측정합니다. EEG 신호는 피질 피라미드 뉴런이라는, 사각뿔 형태의 뉴런 활동에 의해 발생하는 것으로 여겨지고 있습니다. 시상(thalamus)과 같은 뇌 안쪽의 활동은 피질 세포의 활동을 통해 추측할 수 있습니다. EEG는 머리 바깥에 전극을 붙임으로써 측정할 수 있기 때문에 뇌를 열지 않아도 된다는 큰 장점을 가지고 있습니다. 오늘날 고밀도 EEG 장치는 최대 256개의 전극을 붙여 뇌의 전기적 활동 지도를 만듭니다.
물론 두피에 전도성 젤을 바르고 전극을 붙이는 것은 귀찮고 시간이 많이 걸리는 일입니다. 전극의 위치가 정확하지 않은 문제도 있습니다. 하지만 오늘날 최신 건성 전극을 이용해 운동선수나 자발적 ‘뇌 개조’를 원하는 이들이 집중력이나 불면 치료에 사용 가능한 제품도 나와 있습니다.
1940년대 이래 ‘활동적 EEG’는 그 사람의 의식을 나타내는 신호였습니다. 이는 뇌 전역에서 보이는 저전압의 불규칙한 빠른 신호 변화를 의미합니다. 일반적으로 EEG 주파수가 낮아지면 의식이 있을 가능성도 낮아집니다. 하지만 여기에는 많은 예외가 있기 때문에 이를 바탕으로 특정 환자의 의식 유무를 판단할 수는 없습니다. 이 때문에 의사와 과학자들은 더 확실한 방법을 찾아왔습니다.
더 깊은 곳으로
이를 이야기하기 앞서 우리는 의식 유무의 판단이 필요한 두 종류의 집단이 있다는 사실을 이해해야 합니다. 소아 환자는 또 다른 영역이기 때문에 여기서 언급하지 않겠습니다. 첫 번째 환자군은 외상성 뇌 손상, 뇌염이나 뇌막염과 같은 감염, 뇌졸중, 약물 및 알코올 중독 등으로 뇌에 손상을 입은 이들입니다. 이들은 뇌 손상을 일으킨 사고에서 살아남았더라도 장애를 가지며 침상에 누워 지내고 말을 하지 못하거나 생각과 의도를 표현하지 못하는 등의 인지적 문제를 가질 수 있습니다. 그런 상황에서도 욕창이나 감염 방지 같은 적절한 치료가 주어진다면 수년을 더 살 수 있습니다.
이 첫 번째 그룹에서 의사들은 환자를 몇 개의 군으로 다시 구분합니다. 식물인간, 아니 중립적인 의학용어로 ‘무반응 각성 증후군(unresponsive wakefulness syndrome, UWS)’이라 불리는 이들은 주기적으로 잠이 들었다 깨지만 어떤 의사소통 노력, 예를 들어 ‘이 소리가 들리면 손을 흔들거나 눈을 움직여 보세요’와 같은 시도에도 반응하지 않습니다. UWS 환자들은 음식을 삼킬 수 있고 하품을 하며 눈동자와 머리를 움직일 수 있지만 어떤 의도를 가지고 이런 행동을 하는 것은 아닙니다. 곧 이들은 호흡과 수면, 심장박동과 동공 반응 등의 뇌간 반사 만을 보입니다.
사람들이 아직 많이 기억할 이름인 플로리다의 테리 스카보는 심장마비를 겪은 이후 15년 동안 이 UWS 상태에 머물다 2005년 급식 튜브를 제거함으로써 사망했습니다. UWS 환자는 119응급구조대, 응급헬기와 최신 의료기술에 의해 점점 더 늘어나고 있으며 미국에만 1만 명 이상이 병원, 요양원, 가정에서 지냅니다. 비록 이 UWS 환자들이 무언가를 경험하고 있다는 어떠한 증거도 없지만 ‘증거의 부재가 부재의 증거는 아니다’라는 말이 있으며 따라서 이들에게도 의식이 있을지 모른다고 가정할 필요가 있습니다.
그러나 UWS 환자들이 고통이나 괴로움, 불안, 외로움 등의 다양한 생각을 느낄 수 있는지, 혹은 아무것도 느낄 수 없는지 판단하는 건 쉬운 일이 아닙니다. 어떤 연구는 UWS 환자 중 20%는 의식이 있으며 따라서 이들을 UWS로 진단하는 것은 오진이라고 주장합니다. 수년 동안 사랑하는 사람을 간병해온 가족과 친구들에게 그 사람이 회복 가능한지 알려주는 것은 매우 중요한 일일 것입니다.
최소의식상태(minimally conscious state, MCS) 환자들의 경우는 조금 다릅니다. 이들은 말을 할 수는 없지만, 때로 자신의 의도를 힘들게 전달합니다. 웃고 울기도 하며, 소리나 몸짓을 보이며 눈으로 대상을 쫓아갑니다. 이 때문에 이 환자들은 비록 모든 시간은 아니며 최소한의 수준에서는 무언가를 경험한다고 사람들은 가정합니다.
그리고 의식을 측정하는 것이 필요한, 전혀 다른 두 번째 집단이 있습니다. 이들의 뇌는 정상이지만 부상이나 암, 무릎과 엉치 관절 등의 수술을 위해 전신마취가 필요한 사람들입니다. 마취를 통해 고통 및 다른 의식적 경험을 없애고 움직임을 방지할 수 있으며 호흡과 다른 기능을 조절하는 자율신경계를 수 시간 동안 안정적이게 유지할 수 있습니다.
환자들은 또한 수술 시간 동안 자신이 깨어나지 않기를, 자칫 남은 평생을 괴롭힐 두려운 기억을 가지지 않기를 기대합니다. 하지만 모든 환자가 이런 행운을 누리는 것은 아닙니다. 수술 중 마취에서 깨어나는 현상, ‘수술 중 각성(awareness under anesthesia)’은 대략 1,000명 중 1명에게 발생하며 특히 움직임을 막기 위해 마취 의사의 삽관술이 시행되어 몸이 마비된 환자에게 잘 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 미국에서만 매년 수백만 명이 수술을 위해 전신 마취를 하기 때문에 0.1%의 작은 비율이라 하더라도 매년 수천 명이 수술 중에 깨어날 수 있습니다.
수술 중 마취의 깊이를 측정하는 EEG 기술이 있기는 하지만 신생아에서 노인에 이르는 다양한 이들이 마취에 빠져 있을 때 이들에게 모두 일관적으로 적용되는 방법은 존재하지 않습니다. 지금 필요한 것은 마취로 인해 일시적 의식불명 상태에 빠진 사람이나 뇌 손상으로 인해 만성적인 의식 불명에 빠진 사람에게 모두 적용할 수 있는, 의식의 유무를 일관적으로 판단하는 기술입니다.
의식의 본질
의식을 측정하기 위해서는 그 내용이 어떻든 간에 모든 주관적 경험이 공통으로 가지는 본질적인 두 가지 특성을 알아야 합니다. 첫 번째 특성은 의식은 말 그대로 주관적이며 따라서 모든 경험은 서로 다른 경험이라는 것입니다. 경험은 그 경험이 일어나는 장소와 시간의 영향을 받습니다. 각각의 경험은 풍부한 시각적 정보 등 수많은 정보로 이루어졌습니다. 청각과 후각, 감정, 기억 등 다양한 종류의 정보가 의식을 위해 결합합니다. 각각의 경험은 그 자체로 다른 경험과 다릅니다. 두 번째 특성은 각 경험이 연속적인 동시에 총체적이라는 것입니다. 푸른 하늘을 배경으로 검은 연기를 내며 불타는 쌍동이 타워에 대한 기억을 절반의 북쪽 타워 기억과 절반의 남쪽 타워 기억으로 나눌 수 없습니다.
오늘날 의식에 대한 가장 첨단 이론은 정보통합이론(Integrated Information Theory, IIT)입니다. 위스콘신-매디슨의 정신의학자이며 뇌과학자인 줄리오 토노니에 의해 주창된 이 이론은 각각의 주관적 경험에 그 차이와 통합적 측면을 강조하며 뇌내 신피질에서 의식 경험을 만들어내는 활동이 이런 두 가지 특성을 뒷받침해야 한다고 말합니다. 토노니는 이를 확인하기 위해 2000년대 초반 이탈리아 밀라노 대학의 뇌과학자인 마르셀로 마시미니와 함께 EEG 기반의 장치를 만들었습니다. 이 장비는 IIT 이론을 대략적으로 반영해 이를 측정할 수 있게 만들어졌습니다. 이들은 6명의 건강한 자원자가 정신이 말짱할 때와 이들이 깊게 잠들었을 때, 곧 의식이 없을 때를 이 장비로 구분해 냈습니다.
깊은 잠에 빠진 이의 뇌는 조율되지 않은 종과 비슷합니다. 자원자가 깨어 있을 때보다 더 큰 초기 EEG 신호가 나타나더라도 그 신호는 더 빨리 사라지며 뇌 내부로 들어가지 않습니다. 깊은 잠에 빠졌을 때도 뉴런들은 활동하지만 그 활동은 부분적으로만 머물며 뇌 전체로 연결되지는 않습니다. 뇌가 깨어있을 때 나타나는 전기적 활동은 수면 중에는 보이지 않습니다.
사람이 깨어 있을 때와 깊은 잠에 빠졌을 때를 구분하는 일은 쉬워 보입니다. 하지만 이 방법은 더 다양한 뇌 상태를 구분하는 데도 쓰일 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 토노니와 마시미니, 그리고 17명의 의사 및 뇌 과학자는 이 장비를 여러 환자에게 적용했습니다. 지난해 그 결과를 종합한 연구가 발표되었습니다.
이 방법은 먼저 코일로 뇌를 둘러싸고 자기장을 가하는 경두개자기장치료술(transcranial magnetic stimulation, TMS)을 이용해 단일파를 한 번 뇌에 쏘는 ‘잽(zap)’이라는 과정으로 시작합니다. 이는 피질 신경에 작은 전기신호를 유도하며, 이렇게 유도된 신경 활동은 몇 분의 1초 뒤 그 신호가 사라지기 전에 뇌 내부로 연속된 신경 활동을 만들어냅니다. 뇌를 커다란 교회 종으로, 그리고 TMS 신호를 박수로 생각할 수 있습니다. 잘 만들어진 종은 한 번의 박수 소리에 대해 충분한 시간 동안 반응하며 울립니다. 뇌도 마찬가지입니다. 이런 뇌의 반응을 환자가 착용한 고밀도 EEG 장치로 기록합니다. 이 과정을 200번 반복해 EEG 반응 정도의 평균을 냅니다.
깨어 있는 뇌는 연결성이 높으며 이 때문에 뇌의 각 부위는 매우 복잡한 반응을 보입니다. 그 반응은 예측 가능하지도 않으며, 그렇다고 완전한 랜덤도 아닌, 말 그대로 ‘복잡한’ 상태를 보입니다. 연구자들은 피질의 반응이 시간에 따라 변하는 정도가 얼마나 복잡한지를 수학적으로 처리해 그 값을 계산했습니다.
복잡성을 계산하는 방법은 컴퓨터 과학에서 널리 알려진 방법으로 흔히 그림이나 영화를 압축할 때 쓰이는 ‘집(zip)’ 기술에도 활용되는 방법입니다. 이 때문에 연구자들은 자신들의 이 의식 측정법을 잽앤집(zap and zip)이라 부릅니다. 이를 통해 한 환자의 EEG 반응은 그 복잡도를 나타내는 하나의 숫자 ‘섭동복잡도지수(pertubational complexity index, PCI)’로 바뀝니다. 뇌가 자기장 단일파에 반응이 없다면, 곧 피질의 활동이 약하다면 PCI 값은 0에 가까워지며, 뇌가 매우 활발하게 반응한다면 그 값은 1에 가까워집니다. PCI 값이 클수록 뇌의 반응이 더 활발한 것입니다.
환자들의 잽앤집 결과
2016년 연구는 벨기에와 이탈리아의 특정 기관에 입원한 환자 대상으로 한 것입니다. 첫 단계에서 이들은 의식이 있는 이들과 없는 이들의 경계가 될 값(PCI*)을 찾기 위해 의식이 분명히 있는 사람들을 대상으로 PCI를 측정했습니다. 즉 의식이 있는 이들의 PCI 값은 PCI*보다 높아야 하며 의식이 없는 이들의 값은 PCI*보다 낮아야 합니다. 이 경우 PCI*는 의식을 만들어낼 수 있는 뇌의 최소 복잡성을 의미합니다. 이렇게 구한 PCI*를 통해 이들은 두 번째 단계에서 의식이 있는지 없는지 불확실한 이들의 PCI 값을 측정했습니다.
이 연구에서 연구자들은 결과를 비교하기 위해 두 집단을 택했습니다. 한 집단은 102명의 건강한 자원자로 눈을 감았지만 의식이 있을 때와 REM 수면 중일 때 EEG를 기록했습니다(REM 수면은 의식이 있다고 가정되며, REM 수면 중인 환자를 깨워 그가 꿈의 내용을 분명히 기억하고 있을 때만 그 결과를 포함했습니다). 의식을 외부세계와 분리하지만 완전히 소멸시키지는 않는 케타민 마취 상태의 EEG도 측정했습니다(케타민은 소량 사용할 때 환각효과가 있으며 이 때문에 비타민 K로 불리기도 합니다).
무의식 상태로는 깨웠을 때 아무것도 기억하지 못하는 깊은 수면 상태와 미다졸람, 제논, 프로포폴 이렇게 세 가지 수술용 마취약으로 마취한 상태에 대해 EEG를 측정했습니다. 또한 뇌손상을 입었지만 의식이 있는 48명의 환자를 실험에 포함했습니다.
이들은 모든 개인의 의식 여부를 PCI*값 0.31을 기준으로 판별할 수 있음을 발견했습니다. 150명의 자원자가 보인 540가지 의식의 종류에 그 값 이하가 나타났을 때는 자원자의 의식이 없을 때였습니다. 그 값보다 PCI가 높을 때 자원자는 의식이 있었습니다. 건강한 이와 뇌 부상을 입은 이 모두에게 이는 동일했습니다. 이는 성, 연령, TMS가 가해진 뇌의 위치, 자원자의 의학적 상태의 다양성에 무관하게 일관되게 나왔습니다. 연구진은 이를 바탕으로 잽앤집 시험을 MCS 상태, 혹은 UWS 상태의 환자들에게 수행했습니다.
잽앤집 시험은 약한 의식적 행동을 하는 MCS 환자들 38명 중 36명이 의식이 있는 것으로 판단했으며, 2명은 무의식 상태로 잘못 판단했습니다. 43명의 UWS 환자들의 경우 이 중 34명이 의식이 없는 것으로 판단했습니다. 문제는 다른 9명이 TMS 펄스에 대해 기준치 이상의 복잡한 전기적 EEG를 보였다는 것입니다. 이는 이들이 보인 PCI가 다른 의식을 가진 자원자들과 비슷한 수준이었다는 뜻입니다. 어쩌면 이들 9명은 무언가를 경험하고 있지만 단지 이를 겉으로 표현하지 못하고 있는 것일 수 있습니다.
모든 성공적인 실험이 그런 것처럼 이 실험 역시 새로운 문제를 제시합니다. 어떻게 하면 이 잽앤집 방법이 MCS 환자들에게도 100% 정확하게 만들 수 있을까요? 긴장성 분열증(catatonia), 말기 치매(late-stage dementia), 혹은 신생아나 어린아이에게도 이 방법을 사용할 수 있을까요? 또한 의식이 있다고 판명된 UWS 환자들이 실제로 의식이 있는지를 알 수 있는 다른 생리학적, 혹은 행동학적 방법이 없을까요? 이 방법으로 예후의 예측, 곧 UWS 환자의 의식 회복을 알 수 있을까요?
앞으로 우리는 이런 질문을 생각해야 합니다. 하지만 일단은 우리가 마음을 이해하는 데 새로운 한 가지 방법을 가지게 되었다는 사실을 축하하는 것이 좋을 것 같습니다.
원문: 뉴스페퍼민트
